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COMPORTEMENT THERMOMÉCANIQUE DES ARGILES
Différentes approches sont proposées pour aborder le comportement thermomécanique des argiles. En première partie, on s’intéresse aux aspects microscopiques. Une attention particulière est donnée à la théorie de double couche diffuse. En effet, plusieurs auteurs ont cherché à relier l’écrouissage thermique à un phénomène microscopique (Robinet et al. 93), et une évolution de la pression de double couche en fonction de la température est souvent mentionnée (par exemple (Despax 76), (Fleureau 79)). Cette pression est trop souvent calculée de façon imprécise en linéarisant les équations. Les courbes que l’on présente ici sont obtenues par une résolution numérique de l’équation de Poisson-Boltzmann. L’approche macroscopique est nettement plus opératoire pour aborder l’écrouissage thermique, même si elle n’apporte pas d’explication physique. Les concepts du chapitre précédent peuvent être appliqués au comportement des argiles à condition de les étendre aux milieux poreux (annexe 1). La deuxième partie introduit les concepts essentiels pour l’étude des argiles. La troisième partie est consacrée à une interprétation d’expériences sur des argiles où une « consolidation thermique » est manifeste. Cette partie fait le lien entre les notions exposées au chapitre précédent et l’interprétation de résultats d’essais. Ces essais ont été réexaminés de façon systématique pour déterminer si l’écrouissage thermique est un concept pertinent pour leur interprétation.
De façon élémentaire, la classification des sols s’effectue selon la dimension des particules qui les constituent. Des sols les plus grossiers aux plus fins, l’on distingue les graviers, sables, silts et les argiles. Les argiles se caractérisent par des particules extrêmement fines, de diamètres équivalents inférieurs à 2\im. Cette définition des argiles regroupe cependant un ensemble de matériaux dont les propriétés physiques et mécaniques sont très différentes. Une classification plus détaillée fait intervenir la structure microscopique des constituants du sol. La structure minéralogique des particules d’argile est étudiée par diffraction aux rayons X depuis les années 1920. Les principaux minéraux que l’on rencontre dans les argiles sont des cristaux d’aluminosilicates. Une particule d’argile est généralement formée d’un assemblage de cristallites qui sont eux-mêmes constitués par un empilement de couches de minéraux argileux simples. A l’échelle atomique, on identifie feuillet de silice et feuillet d’alumine, qui sont des réseaux cristallins se développant dans un plan. Un feuillet de silice est un arrangement selon un réseau hexagonal plan de motifs tétraédriques qui ont en leur centre un atome de silicium (de valence 4-4) et aux sommets des atomes d’oxygène (de valence -2). De la même façon, un feuillet d’alumine est un arrangement selon un réseau hexagonal plan de motifs octaédriques comportant en leur centre un atome d’aluminium (de valence +3) et aux sommets des atomes d’oxygène ou des groupes hydroxyles OH ».
Une couche élémentaire est constituée de deux ou de trois feuillets, liées entre eux par des liaisons covalentes (mise en commun d’électrons). Ces couches élémentaires sont elles-mêmes superposées et elles donnent lieu à une cristallite d’argile, parfois appelée particule d’argile bien que celles ci soient un agrégat de cristallites. La liaison entre deux couches résulte de liens hydrogène ou des forces de van der Waals (force d’attraction entre des dipôles électriques induits). Ces empilements peuvent comporter de nombreuses couches élémentaires. Les couches décrites précédemment sont des couches parfaites. Il existe en fait de nombreuses substitutions isomorphes du réseau cristallin. Un atome de silicium peut être remplacé par un aluminium, et un atome d’aluminium peut être remplacé par un magnésium ou fer. De la même façon, les groupes hydroxyles des motifs octaédriques peuvent être remplacés par des atomes d’oxygène. Les substitutions isomorphes des feuillets, l’assemblage des feuillets au sein d’une couche, ainsi que l’empilement de couches permettent un grand nombre de combinaisons possible. Il existe ainsi de nombreuses variétés d’argile. Pour des besoins géotechniques, on distingue trois grands groupes d’argiles :
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